直流控制伺候系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電氣工程專業(yè)

1、題 目 直流控制伺候系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄 TOC o 1-2 u 摘要11前言31.1伺服系統(tǒng)及其發(fā)展歷史31.2 伺服系統(tǒng)的分類、現(xiàn)狀與展望42 直流伺服控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)72.1 本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求72.2 總體方案選擇73 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理分析103.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理103.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析123.3 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)分析164直流伺服系統(tǒng)的電路組成與分析184.1 系統(tǒng)構(gòu)成184.2 主電路工作過(guò)程195 控制電路的設(shè)計(jì)215.1控制芯片SG3525215.2 延時(shí)電路設(shè)計(jì)295.3 保護(hù)電路306 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)326.1 PWM功率放大

2、器的工作原理326.2 功率管IGBT346.3 IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2110367 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器418 結(jié)論439 總結(jié)與體會(huì)44致 謝45參考文獻(xiàn)46附錄 直流伺服系統(tǒng)電路圖摘 要目前直流伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)中有很大的應(yīng)用面，有其不可取代的優(yōu)點(diǎn)，因此本課題設(shè)計(jì)了一種直流伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的原則是盡量采用大規(guī)模集成芯片來(lái)提高系統(tǒng)的緊湊性和可靠性。在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的控制原理及動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中電樞電流、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸入與輸出、轉(zhuǎn)速的變化情況。同時(shí)，還進(jìn)行了控制系統(tǒng)的總體電路設(shè)計(jì)，介紹了集成芯片SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制

3、功能，功率管IGBT及IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的功能和特點(diǎn)。完成了基于SG3525控制的PWM電路設(shè)計(jì)、邏輯延時(shí)電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、功率放大器的設(shè)計(jì)。 【關(guān)鍵詞】： SG3525; 直流伺服系統(tǒng); 雙閉環(huán) ; The designing of DC Servo Control SystemAbstractAt present the DC servo control system have a big application in the industry. It cannot be substituted in certain aspects .so, In This paper,

4、 A DC Servo Control System has been designed. The Design principle is as far as possible to use the large scale integration chip to enhance the compact of system and the reliability of system. In that foundation, the overall design of system has been completed, and analysis of the control principle

5、and dynamic performance for this system are also carried out. The dynamic performance of the armature electric current is the key analyzing point. The input-output of the speed regulator and the Current regulator, the starting Rotational speed are discussed.In the same time, overall circuit of the c

6、ontrol system has been designed, the Internal structure and control function of the integrated chip SG3525, power tube IGBT, the function and characteristics of the actuation chip IR2110 for IGBT are also introduced. then the PWM circuit based on control of SG3525, circuit of logic delay, Drive Circ

7、uit，power amplifier are also completed too.Key words： SG3525; DC servo system; double closed-loop 直流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1前言直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，因而常常用于實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，在工業(yè)、國(guó)防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載平臺(tái)、雷達(dá)天線、機(jī)器人控制等場(chǎng)合。盡管交流伺服電機(jī)的發(fā)展相當(dāng)迅速，但在這些領(lǐng)域內(nèi)還難以取代直流伺服電機(jī)。數(shù)字直流伺服控制采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），直接對(duì)速度和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)

8、節(jié)運(yùn)算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。但是數(shù)字直流伺服控制調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，技術(shù)難度大，還沒(méi)有在工業(yè)上形成大的規(guī)模，只有很少的企業(yè)使用。而傳統(tǒng)的直流伺服控制系統(tǒng)包含2個(gè)反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測(cè)速機(jī)、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實(shí)現(xiàn)速度和電流的雙閉環(huán)控制。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，有具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。在中國(guó)目前的工業(yè)控制系統(tǒng)中，模擬直流伺服控制系統(tǒng)還占有很大的規(guī)模，市場(chǎng)也很大。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)好的直流伺服控制系統(tǒng)是有很好的市場(chǎng)前景的。本人此次設(shè)計(jì)的直流伺服控制系統(tǒng)就是一個(gè)模擬直流伺服調(diào)速系統(tǒng)，它采用SG3525產(chǎn)生可調(diào)PWM波

9、，利用PWM逆變器作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在PWM逆變器中采用了IGBT，并讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下，這樣就很好地解決了晶閘管關(guān)斷期反壓太低，參數(shù)匹配麻煩，輸出頻率仍然偏低的問(wèn)題。同時(shí)采用美國(guó)IR公司生產(chǎn)的高壓、高速、具有自舉電路的IR2110作為IGBT的驅(qū)動(dòng)。為防止IGBT的共態(tài)導(dǎo)通，設(shè)計(jì)中又加進(jìn)了邏輯延時(shí)電路，邏輯保護(hù)電路。通過(guò)電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的反饋來(lái)控制PWM的脈寬，從而控制進(jìn)入直流伺服電動(dòng)機(jī)的電壓，進(jìn)而控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。整個(gè)直流伺服控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。1.1伺服系統(tǒng)及其發(fā)展歷史伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換

10、裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)分支，它是伴隨著電的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初。1934年第一次提出了伺服機(jī)構(gòu)（servomechanism）這個(gè)詞，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到20實(shí)際中期，伺服系統(tǒng)的理論與實(shí)踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。到了70年代，直流伺服電機(jī)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，得到了最廣泛的應(yīng)用。伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，大功率高性能半導(dǎo)體，功率器技術(shù)發(fā)展，80年代，交流伺服技術(shù)、交流伺服電機(jī)，交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)

11、產(chǎn)品。1.2 伺服系統(tǒng)的分類、現(xiàn)狀與展望伺服系統(tǒng)以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對(duì)象，產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為此，要求伺服系統(tǒng)能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。（一）步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50

12、 000步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì)累計(jì)。步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來(lái)的恒斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。（二）直流伺服系統(tǒng)直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一

13、方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此，直流伺服系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)異，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而，從實(shí)際運(yùn)行考慮，直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。（三）交流伺服系統(tǒng)針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分，

14、由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置，就構(gòu)成了永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)用化，使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。目前，在機(jī)床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng)，有三種類型：模擬形式、數(shù)字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號(hào)，位置控制通常由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，如做速度、力矩、位置控制?？山邮漳M指令和脈沖指令，各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定，穩(wěn)定性好。具有較豐富的自診斷、報(bào)警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機(jī)的監(jiān)控程序以軟件實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口，改變工作

15、方式、更換電動(dòng)機(jī)規(guī)格時(shí)，只需重設(shè)代碼即可，故也稱萬(wàn)能伺服。交流伺服隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。（四）直線伺服系統(tǒng)直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式（Direct Drive），與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)

16、，如加速度可達(dá)3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的1020倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的45倍。從電動(dòng)機(jī)的工作原理來(lái)講，直線電動(dòng)機(jī)有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式；而從結(jié)構(gòu)來(lái)講，又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度高頻響小行程直線電動(dòng)機(jī)與大推力長(zhǎng)行程高精度直線電動(dòng)機(jī)兩類。直線伺服是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式，受到機(jī)床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機(jī)床展上，有幾十家公司展出直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床，快移速度達(dá)100120m/min，加速度1.52g，其中尤以德國(guó)DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機(jī)型采用

17、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，年產(chǎn)1500多臺(tái)，約占總產(chǎn)量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。所有這些，都標(biāo)志著以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為代表的第二代高速機(jī)床，將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)為代表的第一代高速機(jī)床，并在使用中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。2 直流伺服控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1 本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：完成直流伺服控制系統(tǒng)原理性設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。設(shè)計(jì)要求：采用DC90V直流電壓 電機(jī)功率800W 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500r/min 額定扭矩10NM 電氣時(shí)間常

18、數(shù)0.02秒 機(jī)械時(shí)間常數(shù)0.2秒 采用PWM控制 采用電流閉還和速度閉還控制2.2 總體方案選擇從基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，直流系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電；電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方式可將分直流調(diào)速系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。采用調(diào)壓調(diào)速的直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。該系統(tǒng)

19、為開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)改變參考電壓的大小，即可改變觸發(fā)脈沖的控制角，從而使直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞電壓變化，以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能較差。R觸發(fā)器M圖2.1 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不滿足靜態(tài)指標(biāo)，原因是靜態(tài)速降太大，根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定那個(gè)物理量，就引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋，以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。這次我設(shè)計(jì)的就是引入了電流和速度兩個(gè)負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)。這也符合我的畢業(yè)設(shè)計(jì)要求在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別控制轉(zhuǎn)速和電流，其反饋信號(hào)去控制PWM調(diào)制器。其原理框圖如圖2.2所示 圖2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 本設(shè)計(jì)中的PWM控制器我

20、采用了集成芯片SG3525，而不采用常規(guī)的PWM波產(chǎn)生電路，是因?yàn)镾G3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成脈寬調(diào)制控制器， 大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試。 驅(qū)動(dòng)電路采用H橋式可逆PWM變換器，功率驅(qū)動(dòng)采用集成芯片IR2110，因?yàn)樵撔酒胁捎昧烁叨燃傻碾娖睫D(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少。 電流，電壓反饋都采用PI調(diào)節(jié)器，并且將兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行串級(jí)連接。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入來(lái)自測(cè)速機(jī)，輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，而電流調(diào)節(jié)器的輸出則去控制SG3525，這樣就可以使系

21、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，于是系統(tǒng)的原理框圖就變?yōu)閳D2.3所示。圖2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，稱為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，稱為外環(huán)，2個(gè)反饋閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中ASR，ACR分別是速度和電流調(diào)節(jié)器。3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理分析3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，則其穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入偏差信號(hào)一定為零，即給定信號(hào)與反饋信號(hào)的差值為零，屬無(wú)靜差調(diào)節(jié)。3.1.1 電流調(diào)節(jié)環(huán) 電流環(huán)的給定信號(hào)是速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，電流環(huán)的反饋信號(hào)采自逆變電路，其值=，為電流反饋系數(shù)，則 =-=0 （3-1） =

22、所以 = （3-2） 在一定的條件下，在電流調(diào)節(jié)器的作用下，輸出電流保持為值，而由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的電流波動(dòng)將被有效抑制。此外，由于限幅的作用，速度調(diào)節(jié)器的最大輸出只能是限幅值-，調(diào)整反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)，可使電動(dòng)機(jī)的最大電流對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào)等于輸入限幅值，即 =的取值應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力和系統(tǒng)允許最大加速度，一般為額定電流的（1.52）倍。3.1.2 速度調(diào)節(jié)環(huán) 速度環(huán)給定信號(hào)，反饋信號(hào)=則穩(wěn)態(tài)時(shí) =-=0所以 =既 （3-3）ASR調(diào)節(jié)器的給定輸入由穩(wěn)壓電源提供，其幅值不可能太大，一般在十幾伏以下，當(dāng)給定為最大值時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，一般為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 ACR調(diào)節(jié)器輸出為觸發(fā)裝置

23、的控制電壓 = （3-4）當(dāng)為定值時(shí)，由ASR調(diào)節(jié)器可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，克服負(fù)載擾動(dòng)的影響，其調(diào)節(jié)過(guò)程如下；雙閉環(huán)系統(tǒng)的正常工作段靜特性如圖3.1中的段。OABn 圖3.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)工作靜特性當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速下降至零，速度調(diào)節(jié)器輸入偏差=為最大值，ASR飽和，輸出為限幅值，ASR失去調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)僅靠電流調(diào)節(jié)器的限流作用，使=恒流調(diào)節(jié)，呈下垂特性，如圖3.3中的AB段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)速作用，工作段靜特性很硬，而在負(fù)載達(dá)到時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)，靜特性為下垂特性。3.2 雙閉

24、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓后，其轉(zhuǎn)速和電流在起動(dòng)過(guò)程中的波形如圖3.2所示，其中、階段速度調(diào)節(jié)器飽和，第階段速度調(diào)節(jié)器退出飽和發(fā)揮線性調(diào)節(jié)作用。 圖3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形第階段0是電流上升階段。系統(tǒng)突加給定電壓后，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性較大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速反饋量增長(zhǎng)較慢，則速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值較大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)較大，其輸出很快達(dá)到飽和輸出限幅值。該電壓加在ACR的輸入端，作為最大電流的給定值，使ACR的輸出首先靠比例部分的作用（）迅速增大，觸發(fā)脈沖從初始位置快速前移，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。隨著電流反饋信號(hào)的上升，逐漸減小，ACR的

25、輸出信號(hào)的比例部分隨著減少，而積分部分逐漸積累增加。在比例、積分兩部分共同作用下，形成了如圖3.4中所示的波形。的上升使整流電壓成比例增加，從而保證電流迅速增大，直到最大值。當(dāng)，ACR的作用使不再增加，保持動(dòng)態(tài)平衡。這一階段的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因階躍給定作用而迅速飽和，而電流調(diào)節(jié)器ACR一般為不飽和。以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，強(qiáng)迫電流上升，以達(dá)到。第階段是恒流升速階段，即升速時(shí)保持最大電流給定。該階段從電流上升到開(kāi)始，直至轉(zhuǎn)速上升到給定值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速額定值為止，是起動(dòng)的主要階段。期間，ASR一直處于飽和狀態(tài)，輸出限幅保持不變，相當(dāng)于速度環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值最大電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，

26、基本上保持電流恒定。時(shí)刻，當(dāng)升至?xí)r，=0，但由于0，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，反電動(dòng)勢(shì)也隨之上升，這使得電樞電流=下降，當(dāng)略小于，0，又使上升，也上升，力圖維持=值。在的恒值下，內(nèi)環(huán)恒定的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程是：n調(diào)節(jié)作用使略小于而維持不變，轉(zhuǎn)速直線上升，相應(yīng)的E、也都是線性上升，時(shí)刻n上升達(dá)給定轉(zhuǎn)速，如圖3.4所示。第階段為以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定電壓與反饋電壓相平衡，輸出偏差為0，=-=0，但其輸出由于PI積分作用還維持在限幅值，電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生超調(diào)，同時(shí)ASR的輸出端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓（,0），使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，ASR輸出電壓也為ACR電流調(diào)節(jié)器的

27、給定電壓從限幅值降下來(lái)，主電路電流也隨之迅速減小。但是，由于仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直至=，轉(zhuǎn)矩T=,則=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值（）。此后在負(fù)載力矩的作用下，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速。當(dāng)n達(dá)到給定值（）=，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。在這一階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR都不飽和，共同擔(dān)當(dāng)調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)處于外環(huán)，起主導(dǎo)作用，促使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；電流調(diào)節(jié)器的作用則是力圖使盡快跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出的變化，也就是電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程是由速度外環(huán)來(lái)支配的，形成了一個(gè)電流伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓均為零。綜上所述，

28、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速環(huán)出現(xiàn)飽和開(kāi)環(huán)和退飽和閉環(huán)兩種狀態(tài)。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)時(shí)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)單環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)時(shí)，系統(tǒng)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)為電流伺服系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速環(huán)從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，其轉(zhuǎn)速一定出現(xiàn)超調(diào)，只有靠超調(diào)才能使ASR退飽和，才能進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。恒電流轉(zhuǎn)速上升階段，取為，充分發(fā)揮了電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，實(shí)現(xiàn)了電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，即“時(shí)間最優(yōu)控制”。3.3 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)分析 圖3.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由圖3.3可知，當(dāng)直流電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響到電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)， 當(dāng)負(fù)載增加時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)瞬間減小， 通過(guò)速度變換器FBS、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流

29、調(diào)節(jié)器ACR的作用，ASR輸出送至SG3525的信號(hào)會(huì)使得SG3525的13腳輸出的PWM 波形的占空比增大， 從而加在直流電機(jī)電樞兩端的電壓會(huì)相應(yīng)增大， 因此電機(jī)轉(zhuǎn)速回升。其調(diào)節(jié)過(guò)程為（-）0當(dāng)=時(shí)，轉(zhuǎn)速不再下降，但轉(zhuǎn)速仍小于給定轉(zhuǎn)速，=(-)0，上述調(diào)節(jié)過(guò)程還將進(jìn)行，使，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速才開(kāi)始上升，在回升到值之前，有0，使，當(dāng)時(shí)，下降，依次重復(fù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。只要過(guò)程為衰減的，最終一定能達(dá)到=，=，=的穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3.4所示圖3.4 突加負(fù)載，電動(dòng)機(jī)電樞電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=f(t)的波形圖反之， 當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)， 電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使SG3525的13腳輸出的PWM 波形的占空比減

30、少， 電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如 圖3.5所示圖3.5 突減負(fù)載，電動(dòng)機(jī)電樞電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速n =f(t)的波形圖 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形接近理想快速起動(dòng)過(guò)程的波形； 具有很硬的靜特性和機(jī)械特性； 能夠快速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。在中小容量的直流傳動(dòng)系統(tǒng)中， 采用SG3525構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)比相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性， 因而具有很好的發(fā)展前景。4直流伺服系統(tǒng)的電路組成與分析 4.1 系統(tǒng)構(gòu)成本設(shè)計(jì)的原理框圖如圖4.1所示，它由直流電機(jī)M、雙極式H橋PWM 變換器、SG3525組成的脈寬調(diào)制器(PWM)、邏輯延時(shí)與保護(hù)電路、2110驅(qū)動(dòng)電路以及速度調(diào)節(jié)器(ASR)、電流調(diào)節(jié)器

31、(ACR)、測(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)等組成。圖 4.1 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的具體線路圖如圖4.2所示： 圖中可逆PWM逆變器主電路系采用IGBT所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，它由四個(gè)功率IGBT管和四個(gè)續(xù)流二極管組成，電路采用功率場(chǎng)效應(yīng)管IGBT作為自關(guān)斷器件， 利用集成脈寬調(diào)制器SG3525產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到 + 或 - 的直流電壓。TG 是與直流電動(dòng)機(jī)連動(dòng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)速度變換器FBS后可獲得一個(gè)反映轉(zhuǎn)速變化的速度反饋信號(hào)，此信號(hào)接入速度調(diào)節(jié)器ASR的反饋輸入端，G為電壓給定器，可提供正、負(fù)電壓，電壓大小可以調(diào)節(jié)。SG352

32、5為脈寬調(diào)制器。R4、C4、VD5、R5、C5、VD6構(gòu)成邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡Ｇ闆r下，交流輸入為220V，經(jīng)過(guò)整流后變?yōu)?0V直流電，電阻R1為起動(dòng)限流電阻，在VT1和VT4的源極回路中，串接兩個(gè)取樣電阻，其上的電壓分別反映流過(guò)VT2、VT4的電流，經(jīng)過(guò)差分放大輸出一個(gè)反映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號(hào)，接到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端。圖4.2 直流脈寬調(diào)速電路4.2 主電路工作過(guò)程 由圖4.2可知，220V交流電經(jīng)橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓90V后， 加在直流電機(jī)的電樞兩端，4個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管的基極驅(qū)動(dòng)電路分為2組，VT1和VT4同時(shí)通

33、斷， 其驅(qū)動(dòng)電壓= ；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓己 = ，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)0t 時(shí)， 和 為正，VT1和VT4導(dǎo)通，而和為負(fù)，VT2和VT3截止，電樞AB兩端 = 90V，電樞電流沿回路1流通，其中回路1由VT1、電機(jī)、VT4和橋式整流電路組成， tT/2， 電樞兩端的平均電壓為正， 電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈；中較窄時(shí)，即toT2， 電樞兩端的平均電壓為負(fù)， 電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)以及FBS(轉(zhuǎn)速變換器)輸出到ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)， 作為ASR的輸入并和給定電壓比較， 組成系統(tǒng)的外環(huán)， ASR的輸出作為ACR(電流調(diào)節(jié)器)的輸入并和主電路電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。電

34、流調(diào)節(jié)器ACR的輸出送至SG3525的9端，其中ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器， 電流反饋信號(hào)取自主電路的取樣電阻上， 利用電流負(fù)反饋與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用， 使系統(tǒng)能夠快速起制動(dòng)， 突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小， 具有較好的加速特性。5 控制電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中控制原理框圖如圖5.1，其中PWM控制器我采用SG3525A。PWM控制器延時(shí)電路保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)與電機(jī)電壓，電流調(diào)節(jié)器圖5.1 控制原理框圖圖5.1的核心為PWM控制器SG3525A，用SG3525A發(fā)出的PWM脈沖，通過(guò)邏輯延時(shí)電路，邏輯保護(hù)電路來(lái)控制逆變器VT1、 VT4和VT2、VT3輪流導(dǎo)通，從而控制逆變電壓和逆變頻率。圖5.2為控

35、制電路的電路圖，其中SG3525A的6腳連接電阻R，5腳連接電容C，改變R和C的大小，這樣就可調(diào)控SG3525輸出的PWM脈沖頻率。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525的9腳電壓來(lái)改變輸出脈寬。圖 5.2 控制電路的電路圖以下分別獨(dú)立介紹主控制電路各個(gè)組成部分的基本原理、功能及參數(shù)計(jì)算。5.1控制芯片SG3525 設(shè)計(jì)電路的控制電路是整個(gè)電路的主要部分。如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠工作,又使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期短,性價(jià)比高,是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中有各種典型的控制電路,鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求,結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了SG3525A.SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照

36、接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。5.1.1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能SG3525A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.3，由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路、輸出電路構(gòu)成。圖5.3 SG3525A內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）欠壓鎖定功能基準(zhǔn)電壓調(diào)整器受13腳的外加直流電壓的影響，當(dāng)?shù)陀?V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度

37、值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時(shí)，欠壓鎖定功能使A端線由低電壓上升為邏輯高電平，經(jīng)過(guò)或非門(mén)輸出轉(zhuǎn)化為低電平，則SG3525A的13腳輸出為高電平，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，逆變器無(wú)電壓輸出。 （2）系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 為便于從主回路受檢測(cè)到的故障信號(hào)，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接10引腳。過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的故障信號(hào)使1O腳為高電平，由于T3基極與A端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類似。另外，故障信號(hào)使T3導(dǎo)通提供8引腳C3電容的放電路徑，C3放電到零電壓為軟啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。故障消除后T3截止，C3由電流源緩慢充電，這與欠電壓

38、消失后的軟啟動(dòng)過(guò)程一樣。在本電路中，過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門(mén)的輸人端，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門(mén)的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)（3）軟起動(dòng)功能軟起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由SG3525A內(nèi)部的晶體管T3和外接電容C3及鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過(guò)流故障時(shí)，A端線高電平傳到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳外接電容C3提供放電的途徑。C3經(jīng)T3放電到零電壓后，限制了比較器的PWM脈沖電壓輸出，電壓上升為恒定的邏輯高電平，PWM高電平經(jīng)PWM鎖存器輸出至D端線仍為恒定的邏輯高電平，C3電容重新充電之前，D端線的高電平不會(huì)發(fā)生變化，封鎖輸

39、出。當(dāng)故障消除后，A端線恢復(fù)為低電平正常值，T3截止，C3由50A電流源緩慢充電，C3充電對(duì)PWM和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)P1和P2輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使P1和P2脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結(jié)束后，P1和P2的脈沖寬度才不受C3充電的影響。這種軟起動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場(chǎng)效應(yīng)管承受過(guò)大的沖擊浪涌電流。5.1.2芯片管腳及其功能介紹SG3525脈寬調(diào)制型控制器是美國(guó)通用電氣公司的產(chǎn)品，它采用雙級(jí)型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少。SG3525采用16端雙列直插DIP封裝，引腳圖5.4及各端子功能介紹如下：圖5.4 SG3525A的引腳圖I

40、NV.INPUT(反相輸入端1)：誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo)稱值為80db，其大小由反饋或輸出負(fù)載來(lái)決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1. 5V-5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負(fù)反饋控制時(shí)，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。 NI.NPUT（同相輸入端2)：此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5V的基準(zhǔn)比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。 SYNC(同步端3)：為外同步用。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時(shí)

41、所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個(gè)芯片以外部時(shí)鐘頻率工作。 OSC.OUTPUT(同步輸出端4)：同步脈沖輸出。作為多個(gè)芯片同步工作時(shí)使用。但幾個(gè)芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。如不需多個(gè)芯片同步工作時(shí)，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0. 6V到3. 5V。 CT(震蕩電容端5)：震蕩電容接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001u F到0. 1 u F。正常工作時(shí)，在Cr兩端可以得到一個(gè)從0.6V到3. 5V變化的鋸齒波。 本設(shè)計(jì)中CT取0.04uF RT(震蕩電阻端6)：震蕩電阻一端接至6腳

42、，另一端直接接至地端。RT的阻值決定了內(nèi)部恒流值對(duì)CT充電。其取值范圍為2K歐到150K歐RT和CT越大充電時(shí)間越長(zhǎng)，反之則充電時(shí)間短。 本設(shè)計(jì)中RT取8K DISCHATGE RD(放電端7)：CT的放電由5、7兩端的死區(qū)電阻決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)死區(qū)電阻來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，使死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍更寬。其取值范圍為0歐到500歐。放電電阻RD和CT越大放電時(shí)間越長(zhǎng)，反之則放電時(shí)間短。這樣，SG3525A的振蕩頻率可由下面的公式進(jìn)行計(jì)算：F=1/(Ct(0.67Rt+1.3Rd) (5-1)其中Ct是5腳接出到地的充電電容,Rt是6腳接出到地的時(shí)基電阻,Rd是5,7腳間的放電電阻. 本

43、設(shè)計(jì)中RD取200 SOFTSTATR(軟啟動(dòng)8)：比較器的反相端即軟啟動(dòng)器控制端8，端8可外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部的50uA恒流源充電。 COMPENSATION(補(bǔ)償端9)：在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。補(bǔ)償端工作電壓范圍為1. 5V到5. 2V。調(diào)節(jié)輸入 9腳的電壓，可以調(diào)節(jié)PWM波產(chǎn)生器產(chǎn)生的PWM波的脈寬，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出脈沖波的占空比，使加在電動(dòng)機(jī)上的電壓發(fā)生變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度的目的。 SHUTDOWN(關(guān)斷端10)：10端為PWM鎖存器的一個(gè)輸入端，一般在10端接入過(guò)流檢測(cè)信號(hào)。過(guò)流檢測(cè)信號(hào)維

44、持時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，軟起動(dòng)端8接的電容C被放電。一般用法是將過(guò)流脈沖信號(hào)送至關(guān)閉控制端10腳，當(dāng)腳10電壓大于0. 7V時(shí)，芯片將進(jìn)行限流操作，當(dāng)腳10電壓超過(guò)1.4V時(shí)，將使PWM鎖存器關(guān)斷，直至下一個(gè)時(shí)鐘周期才能夠恢復(fù)。OUTPUT A, OUTPUT B(脈沖輸出端11、14)：輸出末級(jí)采用推挽輸出電路，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快。11腳和14腳相位相差180，拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開(kāi)閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為l00ns?？梢栽谔幗右粋€(gè)約0. lf的電容濾去電壓尖峰。本次設(shè)計(jì)中14、12、11腳是接地的。GROUND(接地端

45、12)：該芯片上的所有電壓都是相對(duì)于GROUND而言，即是功率地也是信號(hào)地。在實(shí)驗(yàn)電路中，由于接入誤差放大器反向輸入端的反饋電壓也是相對(duì)與12腳而言，所以主回路和控制回路的接地端應(yīng)相連。 VC(推挽輸出電路電壓輸入端13)：作為推挽輸出級(jí)的電壓源，提高輸出級(jí)輸出功率?？梢院?5腳共用一個(gè)電源，也可用更高電壓的電源。電壓范圍是4.5V-35V 。+VIN(芯片電源端15)：直流電源從15腳引入分為兩路：一路作為內(nèi)部邏輯和模擬電路的工作電壓；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1士1%V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。如果該腳電壓低于門(mén)限電壓(Turn-off=8V)，該芯片內(nèi)部電路鎖定，停止工作（基準(zhǔn)源及

46、必要電路除外)使之消耗的電流降至很小(約2mA)。另外，該腳電壓最大不能超過(guò)35V，使用中應(yīng)該用電容直接旁路到GROUND端。VREF(基準(zhǔn)電壓端16)：基準(zhǔn)電壓端16腳的電壓由內(nèi)部控制在5. 1 V土1%。可以分壓后作為誤差放大器的參考電壓。5.1.3 SG3525的特點(diǎn)SG3525特點(diǎn)如下： （1）工作電壓范圍寬：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。 （3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz. （4）具有振蕩器外部同步功能。（5）占空比可調(diào)。每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA，灌拉電流峰值可達(dá)500mA。 （6）內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，具有PWM瑣存功能，具有輸入

47、欠電壓鎖定功能。（7）正常工作的溫度范圍是0-700（8）輸出級(jí)采用推挽輸出，雙通道輸出5.1.4 SG3525的工作原理 SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。 SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5uF 的軟啟動(dòng)電容。上電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因

48、此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM鎖存器的輸出也為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門(mén)加到輸出晶體管上，使之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開(kāi)始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM鎖存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)

49、斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM鎖存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過(guò)低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。 此外，SG3525還具有一個(gè)功能，即無(wú)論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，PWM鎖存器才

50、被復(fù)位。5.1.5 PWM波的產(chǎn)生及控制方式分析如圖5.5所示，鋸齒波信號(hào)由C2、R3震蕩電路產(chǎn)生，作為載波信號(hào)Ut，調(diào)制信號(hào)由9腳輸入，此調(diào)制信號(hào)由可調(diào)電位器RP上的電壓信號(hào)Up 和外加的給定信號(hào)Ug疊加而成，RP上的電壓信號(hào)用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比，Ug可正可負(fù)，用于控制逆變器輸出電壓的大小和極性，在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，電壓給定器的輸出電壓直接加在Ug上，在雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)中，Ug也可以由摸擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 本電路是由摸擬的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器來(lái)控制的，電壓給定器G 的輸出接在ASR的輸入端，Ug由ACR的輸出控制。圖5.5 SG3525的外部電路 如圖5.6所

51、示，要改變輸出脈沖PWM波的占空比，只要改變調(diào)制信號(hào)Ur的電壓大小即可實(shí)現(xiàn)。圖 5.6 電壓Ur大小與輸出波形Uo的關(guān)系圖 在本設(shè)計(jì)中，SG3525輸出寬度可調(diào)的固定頻率脈沖，頻率由SG3525的5、6、7端外接電阻、電容決定，為 =4.45KHz其中CT=0.04uF, RT=8K,RD=200.5.2 延時(shí)電路設(shè)計(jì) 在可逆變換器中，跨接在電源兩端的上、下兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)常交替工作，由于功率場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷要有一定的時(shí)間。在這段時(shí)問(wèn)內(nèi)功率場(chǎng)效應(yīng)管并未完全關(guān)斷。如果在此期間另一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通從而使電源正負(fù)極短路 ，為了避免發(fā)生這種情況。設(shè)置了由R、c電路構(gòu)成的邏輯

52、延時(shí)環(huán)節(jié) 保證在對(duì)一個(gè)管于發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)5u S左右的時(shí)間后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開(kāi)通脈沖。如圖5.7所示：圖5.7 邏輯延時(shí)電路原理圖Ua為SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)的脈沖波形(占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0109)，經(jīng)過(guò)RC移相后，輸出兩組互為到相、死區(qū)時(shí)間為T(mén)s左右的脈沖。Ts= （5-2）=0.79=4.90秒經(jīng)過(guò)光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只MOSFET管，其中VT1、VT4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，VT2、VT3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。其波形圖如圖5.8。圖 5.8 邏輯延時(shí)后的PWM波形5.3 保護(hù)電路 如圖5.9所示，此電路是為了防止電動(dòng)機(jī)和IGBT管的過(guò)流而設(shè)計(jì)的，當(dāng)PWM逆變器中的電流超過(guò)整定值后

53、，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，輸出低電平，關(guān)閉脈沖，使IGBT管關(guān)閉，從而防止IGBT管和電動(dòng)機(jī)被燒壞的可能。隔離器件采用快速光耦合器6N137做強(qiáng)、弱電間的隔離，以提高可靠性。圖5.9 邏輯保護(hù)電路6 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖6.1所示，驅(qū)動(dòng)電路由PWM逆變電路，IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片IR2100及其外圍電路組成。PWM逆變電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，IR2100則是接收SG3525產(chǎn)生的PWM波，轉(zhuǎn)化成功率管IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖6.1 驅(qū)動(dòng)電路原理圖6.1 PWM功率放大器的工作原理H雙極模式PWM轉(zhuǎn)換電路如圖6.2所示。它由4個(gè)大功率晶體管、4個(gè)續(xù)流二極管、3個(gè)電阻組成。VT1和VT4為一組，VT2和VT3為

54、另一組。同組的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，兩組晶體管之間交替的導(dǎo)通和截止。亦即基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)=，=-。雙極模式工作時(shí)的PWM、輸出電壓、電流波形如圖6.3所示。在0ttl期間， 和為正， 和 為負(fù)，這時(shí)晶體管V1、V4導(dǎo)通，當(dāng)電源電壓 大于電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)E時(shí)，電樞電流從A流向B ，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在tltT期間，V1、V4截止，電樞電流在電樞電感的作用下經(jīng)D2、D3續(xù)流，電動(dòng)機(jī)仍工作在正向電動(dòng)狀態(tài)。假如在t=t2時(shí)刻正向電流衰減到零，則在t2tT期間，V2、V3在電源電壓Us。和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E的作用下導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)V2、V3從B流向A，電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)。在 Ttt3 期間，晶體管

55、基極電壓改變極性，V2、V3截止，電流經(jīng)二極管D4、Dl繼續(xù)從B流向A，電動(dòng)機(jī)仍工作在制動(dòng)狀態(tài)。如果在t=t3時(shí)刻反向的電樞電流衰減到零，那么在t3tt4期間，Vl、V4導(dǎo)通，電樞電流從A流向B，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。重復(fù)上述過(guò)程。圖6.2 H型PWM功率轉(zhuǎn)換電路 圖6.3 H雙極模式PWM 放大器電壓、電流波形從上述可知，電動(dòng)機(jī)無(wú)論工作在何種工作狀態(tài)，在0ttl期間電樞電壓總等于+ Us，而在tltT期間電樞電壓總等于- Us 。從上面的分析可知雙極模式PWM控制的電樞電流無(wú)斷續(xù)現(xiàn)象，即使電機(jī)不轉(zhuǎn)，電樞電壓瞬時(shí)值不等于零，而是正、負(fù)脈沖電壓的寬度相等，電樞回路中流過(guò)一個(gè)交變的電流，這個(gè)電流可使

56、電動(dòng)機(jī)發(fā)生高頻顫動(dòng)，有利于減少靜摩擦力矩的干擾。6.2 功率管IGBT6.2.1 IGBT的工作原理圖6.4所示為IGI 的平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。IGBT的等效電路如圖6.5所示。由圖6.5可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣，PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。6.2.2 IGBT的特點(diǎn)IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極晶體管是一種新型的電力半導(dǎo)體器件?，F(xiàn)已成為電力電子領(lǐng)域的新

57、一代主流產(chǎn)品。它是一種具有MOS輸入、雙極輸出功能的MOS、雙極相結(jié)合的器件。結(jié)構(gòu)上，它是由成千上萬(wàn)個(gè)重復(fù)單元(即元胞)組成，并采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造的一種大功率集成器件。IGBT既有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。所以IGBT功率器件的三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。這是其它功率器件不能比擬的。它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開(kāi)關(guān)器件。6.2.3 IGBT和續(xù)流二極管的選擇由于本設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)的要求為DC90伏，所以當(dāng)交流電220V整流變成直流電時(shí)，其有效值為90V，當(dāng)IGBT

58、關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，穩(wěn)壓電源的全部輸入電壓都加在IGBT集-射極的兩端。因此，開(kāi)關(guān)管的集-射額定電壓UCE必須大于穩(wěn)壓電源的輸入電壓。IGBT受到的最大正向電壓為逆變器輸入端電壓源的電壓,考慮到開(kāi)關(guān)時(shí)的浪涌電壓，取額定電壓： =1.5=1.590=135 (V) 額定電流： IM=800/90=12.6(A)另外，考慮與專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的兼容性，故選用型號(hào)為G80N60，其有關(guān)參數(shù)如下：表6.1 G80N60 的性能參數(shù)開(kāi)啟電壓5V1V柵極擊穿電壓20V集射電壓600V集電極電流80A集射峰值電流320A耗散功率320W集射截止電流IGES0.5mA飽和壓降2.7V正向跨導(dǎo)36輸入

59、電容3000pF下降時(shí)間43ns根據(jù)續(xù)流二極管的正向額定電流必須等于開(kāi)關(guān)管的最大集電極電流，以及當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，輸入電壓加在續(xù)流二極管的兩端，因此，續(xù)流二極管的耐壓值必須大于輸入電壓。再者，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管的工作頻率很高，續(xù)流二極管也只是在IGBT管關(guān)斷的很短一段時(shí)間內(nèi)工作，因此這種二極管的恢復(fù)時(shí)間還必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)管的工作周期，這樣也只有200ns以下的快速恢復(fù)二極管能滿足要求。本設(shè)計(jì)中二極管使用HFA25TB60，這是一種快速恢復(fù)二極管。最大工作電流 為25A，最大工作電壓為600V?；謴?fù)時(shí)間為35ns。6.3 IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2110對(duì)于驅(qū)動(dòng)IGBT電壓型功率器件，國(guó)內(nèi)外已推出了多種具有保

60、護(hù)功能的智能驅(qū)動(dòng)器。它們有許多優(yōu)點(diǎn)，如具有多種保護(hù)功能、隔離驅(qū)動(dòng)、電路參數(shù)一致性好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，只用一路電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下橋臂。6.3.1 IR2110主要功能和技術(shù)參數(shù)IR2110驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6.6所示。圖 6.6 IR2110驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖它包括：邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂輸出和下橋臂輸出。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。輸入邏輯電路與TTL /COMS電平兼容，其輸入引腳閥值與電源成比例，為電源電壓的10 ，各通道相對(duì)獨(dú)立： 由于邏輯信號(hào)均通過(guò)電